川南地區土壤氮素的空間分布特征及影響因素分析

唐 蓮，歐陽平，馮文穎，李啟權,趙 迪，馮海濤，代天飛,，李 昆

(1.成都土壤肥料測試中心, 四川 成都 610041；2.四川農業大學資源學院, 成都 溫江 611130；3.四川省達州市通川區復興鎮人民政府，四川 達州 635003)

土壤養分是由土壤提供的植物生長發育所必須的營養元素。植物一生所吸收的養分主要來自于土壤，土壤養分狀況與農業生產有著密切的關系[1]。氮素作為大量養分元素，對于植物生長發育有著重要意義。在農業生產中，我們主要采用施用氮肥的方式增加土壤氮素含量。但施入土壤的氮肥損失較為嚴重，還易產生水體污染等環境問題。因此，研究區域內土壤氮素的空間分布特征和影響因素，能對區域內氮肥的施用提供依據，具有重要意義。目前，我國學者也從不同尺度[2-3]，運用不同方法[4-7]，對不同區域[8-10]、不同地形條件[11-14]下的土壤氮素分布進行了研究，但對于四川南部的研究還未深入。

宜賓市位于四川省南部，以中低山和丘陵為主，是長江上游山丘區的典型代表。本文以宜賓市為研究區域，采用傳統統計分析和地統計學技術研究土壤氮素的空間分布特征及影響因素，旨在為該區域氮肥的使用提供依據和指導。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

研究區宜賓市位于四川省南部，地跨103°36′E～105°20′E，27°50′N～29°16′N，位于川、滇、黔3省交匯地，長江0km處。東西最大橫距153.2km，南北最大縱距150.4km。市區總面積1123km2，人口約70多萬。全市地形整體呈西南高、東北低態勢，地貌以中低山和丘陵為主，嶺谷相間。市境內500～2000m的中低山占46.6%，丘陵占45.3%，平壩占8.1%。海拔約236～2800m。屬亞熱帶季風性濕潤氣候，具有氣候溫和、熱量充足、雨量充沛、四季分明的特點。全年平均溫度18℃左右，年平均降水量約為1050～1618mm，合降水量154.9億m3。宜賓境內水系屬外流水系，以長江為主脈，河流多、密度大、水量豐富。全市土壤總面積107.33萬hm2，占全市土地總面積的80.5%。土壤種類有紫色土、新積土、水稻土、黃壤、石灰土等。

1.2 土壤樣品采集與測定

根據研究區的實際情況，考慮到成土母質、土壤類型、海拔高度、植被條件、人類活動等人為因素和自然因素，保證采樣點具有典型性和代表性，同時要兼顧空間分布的均勻性。在宜賓市耕地土壤上布設樣點和采集土樣，共選取624個點，并用GPS進行定位。將采集到的所有樣品帶回實驗室，風干、磨碎后過篩，裝袋待測。全氮(TN)含量測定采用凱氏定氮法，堿解氮(AN)含量測定采用堿解擴散法[15]。

1.3 數據處理

利用SPSS 17.0軟件對土壤全氮和堿解氮含量進行描述性統計分析；利用單因素方差分析(ANOVA)比較全氮和堿解氮含量在不同土壤類型之間、不同海拔高度之間和不同輪作制度之間的差異；在ArcGIS 10.0平臺上，繪制出樣點分布圖；土壤全氮和堿解氮含量的半方差分別用球狀、指數和高斯等模型進行擬合，根據擬合誤差大小選擇最適模型，然后用普通克里格法(OrdinaryKriging)內插獲得土壤全氮和堿解氮的等值線圖。

2 結果與分析

2.1 土壤氮素含量常規統計分析

常規統計分析結果表明(表1)，研究區土壤全氮和堿解氮含量總體水平適中，土壤全氮的平均含量為(1.43±0.47)g/kg，變化范圍(0.49～3.87)g/kg；堿解氮的平均含量為(135±56)mg/kg，變化范圍(16～413)mg/kg。根據全國第二次土壤普查確定的氮素含量分級標準，全氮含量處于中等水平，堿解氮含量處于高等水平。從變異系數上來看，全氮含量的變異系數為32.87%，堿解氮含量的變異系數為41.66%，均達到中等變異強度，表明其空間分布不均勻。根據研究區土壤全氮、堿解氮頻數分布圖(圖1)，土壤全氮和堿解氮含量均近似符合正態分布，峰度系數分別為1.251和2.055，偏度系數分別為0.811和0.965。

表1 土壤全氮和堿解氮含量特征統計

圖1 研究區土壤全氮、堿解氮含量的頻率分布

從不同土壤類型氮素含量特征來看，全氮含量最高的是石灰土，為1.73g/kg，其次為黃壤、水稻土、潮土、紫色土，含量最低的是新積土，為1.17g/kg；堿解氮含量最高的是石灰土，為174mg/kg，其次為潮土、黃壤、水稻土和紫色土，含量最低的是新積土，為102mg/kg(表2)。

2.2 土壤氮素的空間變異特征分析

2.2.1 變異函數分析 半方差分析能較好地刻畫土壤氮素的空間分布的隨機性和結構性等，因而在常規統計分析的基礎上進一步采用半方差對其空間結構進行分析[16]。本文利用ArcGIS 10.0的地統計學模塊分析土壤全氮和堿解氮含量的分布特征。分別選取球狀、指數、高斯等3種模型進行擬合，得到全氮和堿解氮的地統計參數(表3)。

表2 不同土壤類型中氮素平均含量統計表

從變異因素角度考慮，塊金值與基臺值的比值表示空間異質程度，也反映了空間變異成分中結構性因素和隨機因素誰占主導作用。若塊金值與基臺值的比值小于25%，表明變量具有強烈的空間相關性，且空間分布主要受結構性因子影響；若比值大于75%，則說明變量的空間相關性很弱，且空間分布主要受隨機性因子的影響[17]。由表3知，土壤全氮的隨機變異占其空間變異的比例(塊金值/基臺值)為36.8%～51.2%，土壤堿解氮的隨機變異占其空間變異的比例(塊金值/基臺值)為45.2%～61.8%，均具有中等相關性，且受到結構性因子和隨機性因子的共同影響；這也表明該研究區土壤全氮和堿解氮含量空間變異受隨機因素影響較結構因素大，且堿解氮的隨機變異大于全氮。這有可能是因為堿解氮易分解，容易受施肥等人為因素影響[18]。

2.2.2 空間分布特征 綜合考慮各項地統計學參數，采用普通克里格插值(Ordinary Kriging)分別使用球狀模型和指數模型進行插值獲得了土壤全氮和堿解氮含量的空間分布圖。其標準均方根誤差(RM SSE)分別為0.994和0.979，表明插值精度較高(接近1)，空間擬合效果較好[19]。

由圖1可知，研究區土壤全氮和堿解氮含量總體上表現出一定的相似性，均有中部含量較低，南部和北部含量較高的特點。土壤全氮含量總體呈斑塊狀分布，低值區(0.49～1.1g/kg)主要位于中部宜賓市境內，并以此為中心逐漸向北部、南部方面增加。高值區(2.2～3.87g/kg)主要位于南部的筠連縣區域，大部分區域處于中等水平(1.1～1.6g/kg)。

表3 土壤全氮和堿解氮的地統計參數

土壤堿解氮含量呈斑塊狀或條帶狀分布，中部含量較低，南北區域含量較高。低值區(16～90mg/kg)主要位于中部宜賓市、高縣區域，并以此為中心向北部、南部、西北方向逐漸增高。高值區(160～413mg/kg)主要位于南部筠連縣、珙縣、興文縣等區域。總體而言該區域堿解氮含量處于中上水平。

圖2 土壤氮素空間分布特征

2.3 影響因素分析

土壤中氮素的含量受自然因素(氣候、地形及植被)和農業措施(施肥、耕作、灌溉制度及利用方式)的影響。不同區域的土壤氮素含量差異較大，本文主要從海拔高度、輪作制度、土壤質地等方面來研究各影響因素與研究區土壤氮素含量和分布的關系。

2.3.1 海拔高度 海拔高度影響水熱條件和成土物質的再分配，導致土壤特性因海拔高度變化而產生差異[20]，從而造成土壤氮素含量的差異。研究區內地形以低山丘陵為主，不同海拔高度的土壤氮素含量分布具有一定的差異。

方差分析的結果表明，海拔高度對于土壤全氮含量達到極顯著影響(F=14.274,P<0.01)，對于土壤堿解氮含量的影響達到極顯著水平(F=8.493,P<0.01)。

表4 海拔高度與土壤氮素含量

注：平均值列同一氮素指標具有相同小字母表示該均值無顯著差異。下同。

從研究區內不同海拔高度土壤全氮含量來看，海拔在800m以上區域的土壤的全氮顯著高于500m以下區域，海拔在500～800m區域的全氮含量顯著高于400m以下區域，500m以下區域之間土壤全氮含量差異不顯著。

從研究區內不同海拔高度土壤堿解氮含量來看，海拔在800m以上區域的土壤堿解氮含量極顯著高于500m以下區域，顯著高于500～800m區域的堿解氮含量；海拔在500～800m區域的土壤堿解氮含量顯著高于300m以下和400～500m區域的堿解氮含量。造成這一現象的原因可能是因為研究區所在的宜賓市地形以低山丘陵為主，而在500m以上或800m以上的低山區光照充足，多數植被保存較為完整，有機質分解較少，從而堿解氮和全氮含量較高。但具體原因還需要做進一步探討研究。

2.3.2 輪作制度 不同輪作制度條件下對于土壤養分的人為干擾程度不同，進而影響到土壤氮素的含量。本研究區內土樣采自宜賓市的耕地，因此本文對該區域耕地不同輪作制度下土壤全氮和堿解氮含量進行了統計。經調查研究表明，研究區內主要有一年一熟、一年兩熟、一年三熟、常年生等4種輪作制度。不同輪作制度條件下，土壤全氮和堿解氮的含量有所不同(表5)。

表5 種植制度與土壤氮素含量

注：**表示0.01水平，具有相同字母表示差異不顯著。下同。

方差分析結果表明，不同輪作制度對土壤全氮和堿解氮含量均具有顯著的影響。其中對土壤全氮含量的影響達到極顯著水平(F=13.307,P<0.01)，對土壤堿解氮的影響達到極顯著水平(F=17.534,P<0.01)。

從研究區內不同種植制度土壤全氮含量來看，一年一熟制研究區土壤全氮含量最高，為1.49±0.03g/kg，其次為一年兩熟制(1.41±0.29g/kg)、一年三熟制(1.11±0.05g/kg)、常年生(0.96±0.13g/kg)。其中，一年一熟制顯著高于一年三熟制和常年生，一年兩熟制顯著高于一年三熟制，一年一熟和一年兩熟之間差異不顯著，常年生和一年三熟之間的差異未達顯著水平。

從不同種植制度土壤堿解氮含量來看，一年一熟制研究區土壤堿解氮含量最高,為143±58mg/kg，其次一年兩熟制(133±53mg/kg)、常年生(95±36mg/kg)、一年三熟制(87±29mg/kg)。不同種植制度間的差異水平類似于全氮含量的規律，一年一熟顯著高于常年生和一年三熟，一年兩熟顯著高于一年三熟，一年一熟和一年兩熟之間差異未達顯著水平，一年三熟和常年生之間差異不顯著。

2.3.3 土壤質地 質地不同的土壤，其粘粒含量和大小孔隙存在的數量和比例有很大的差別，決定了土壤入滲能力的不同，從而影響氮素運移。調查研究表明，該區域土壤質地類型主要有黏土類、黏壤土類、壤土類、砂土類等4種類型。

表6 土壤質地與土壤氮素含量

方差分析結果表明，土壤質地對土壤全氮含量的影響達到極顯著水平(F=15.881,P<0.01),對土壤堿解氮含量的影響達到極顯著水平(F=19.759,P<0.01)(表7)。

4種不同土壤質地條件下，黏土全氮含量最高，為(1.60±0.52)g/kg，其次為黏壤土(1.48±0.40)g/kg、壤土(1.39±0.48)g/kg、砂土(1.14±0.47)g/kg。其中，黏土顯著高于砂土、壤土，黏壤土、壤土顯著高于砂土，黏土、黏壤土之間差異不顯著，壤土、黏壤土之間差異未達顯著水平。

從研究區內不同質地土壤堿解氮含量來看，同樣也是黏土堿解氮含量最高，為(154±60)mg/kg，其次為壤土(139±59)mg/kg、黏壤土(136±48)mg/kg、砂土(93±39)mg/kg。其中，黏土、黏壤土、壤土極顯著高于砂土，黏土、黏壤土、壤土之間的差異未達顯著水平。

3 結論

研究區土壤全氮含量處于中等水平，為(1.43±0.47)g/kg；堿解氮含量處于高等水平，為(135±56)mg/kg。不同類型土壤的全氮含量由高到低為：石灰巖>黃壤>水稻土>潮土>紫色土>新積土，土壤堿解氮含量由高到低為：石灰巖>潮土>黃壤>水稻土>紫色土>新積土。

土壤全氮和堿解氮含量總體上呈斑塊狀分布，中部含量較低，南部和北部含量較高，但兩者高值區、低值區的分布范圍有所不同。因此，在對該研究區域內進行農田管理和氮肥施用應分區域進行。

土壤全氮和堿解氮含量在不同土壤質地、土地利用方式、海拔高度下均存在差異。研究表明，不同成土母質、不同種植制度條件、不同土壤質地、不同海拔高度下，土壤全氮和堿解氮含量均存在極顯著或顯著差異。因此，在對該區域進行氮肥施用時，還需充分考慮區域的輪作制度、地形、土壤質地等因素。

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